電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尤向陽

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 三門峽 472000)

0 前言

隨著冶金行業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，在永久陰極法電解與電積銅生產(chǎn)過程中，很多大型銅冶煉企業(yè)的陰極剝片機(jī)組已經(jīng)使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行堆垛與剝片，用以提高速剝片機(jī)組的生產(chǎn)效率[1]。剝片機(jī)組用的工業(yè)機(jī)器人的主要作用是將兩個(gè)剝片站的陰極銅鏈集中轉(zhuǎn)移至銅捆鏈上，同時(shí)根據(jù)工藝要求的數(shù)量對陰極銅堆垛。因此，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)工作情況將直接影響到陰極剝片機(jī)組工作的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。目前，各廠家工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)并不對客戶完全開放，在軟件兼容、性能擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)等方面給用戶的使用造成了諸多不便[2]。本文針對工業(yè)機(jī)器人通用性差、控制成本高的問題，利用工控機(jī)組合多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的方式對電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)人機(jī)交互簡潔，通訊方便，開放性好，價(jià)格便宜。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)本質(zhì)是屬于多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制，對六關(guān)節(jié)串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人而言，由于要同時(shí)控制六個(gè)關(guān)節(jié)伺服電機(jī)，其信號的交互量非常大[3]，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)控制過程較為復(fù)雜。為了保證控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，提高工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場的抗干擾能力，控制系統(tǒng)采用三級控制模式，即上位機(jī)采用工控機(jī)，下位機(jī)采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，最底層為機(jī)器人本體和末端操作器。電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1)工控機(jī)主要承擔(dān)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)作的功能。 通過其操作系統(tǒng)和人機(jī)交互界面可以方便實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整和操作過程的監(jiān)控。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃和控制算法的實(shí)現(xiàn)都由工控機(jī)完成。同時(shí)，工控機(jī)可以記錄控制過程中的各種有用的信息，方便調(diào)試和維修。通過工控機(jī)，用戶也可根據(jù)生產(chǎn)工藝的特殊要求開發(fā)新的控制流程。

2)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡利用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器交換控制信息，實(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)處理。運(yùn)動(dòng)控制卡包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率控制電機(jī)的速度，同時(shí)通過改變發(fā)出脈沖的數(shù)量控制電機(jī)的位置[4]。

3)可編程控制器(PLC)輔助獲取機(jī)器人各關(guān)節(jié)的限位信號以及機(jī)器人末端的控制信號。通過邏輯編程對機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)陰極銅的堆垛與剝片。

4)示教器主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動(dòng)操作。通過示教編程也可方便設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，以及調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人末端位姿的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠通過串口與工控機(jī)通信。

5)多串口卡用于直接獲取編碼器的初始值，通過總線將數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)，以獲取機(jī)器人的初始狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)的硬件選型

2.1 工控機(jī)

根據(jù)電解銅剝片現(xiàn)場環(huán)境，為保證工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行，工控機(jī)在具備較強(qiáng)的抗干擾性能的前提下，還要具有較快的運(yùn)算速度，同時(shí)具備方便多樣的通信方式和接口。選用工控機(jī)型號為SIMATIC HMI IPC477C，其操作系統(tǒng)選用兼容性和穩(wěn)定性較好的Windows XP 嵌入式標(biāo)準(zhǔn)版2009。

2.2 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡

電解銅剝片機(jī)器人屬于點(diǎn)到點(diǎn)控制，其各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)工作在位置控制模式。考慮六軸電解銅剝片機(jī)器人工作的穩(wěn)定性和可靠性要求，選用研華PCI- 1265 六軸運(yùn)動(dòng)控制卡。PCI- 1265采用高性能DSP和FPGA來計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡，可方便快速進(jìn)行六軸直線插補(bǔ)同步時(shí)序控制，其圖形化的開發(fā)工具方便用戶的開發(fā)與配置。

2.3 示教器

電解銅剝片機(jī)器人控制系統(tǒng)中的示教器主要完成機(jī)器人末端執(zhí)行器關(guān)鍵點(diǎn)位置和姿態(tài)信息的獲取。根據(jù)六軸驅(qū)動(dòng)的要求，本設(shè)計(jì)選用HRT- 6- Ⅰ型示教器。該示教器采用7寸液晶屏顯示，輸入方式為按鍵輸入，操作方便、性價(jià)比高，支持離線編程，可進(jìn)行基本指令操作與位置點(diǎn)設(shè)置以及簡單軌跡、連續(xù)軌跡和空間復(fù)雜軌跡示教。

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器釆用脈沖信號控制方式驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。其常用控制方式包括速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制，本設(shè)計(jì)釆用位置控制。位置控制通過改變外部輸入脈沖的頻率控制運(yùn)動(dòng)速度，通過改變外部輸入脈沖的個(gè)數(shù)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度。選用臺(tái)達(dá)ASDA- A2伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器支持多種脈沖形式，最高輸入頻率可達(dá)4 M，支持絕對型編碼器，可實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。高分辨率絕對編碼器具有斷電保持功能，保證系統(tǒng)在斷電情況下能夠保持對機(jī)器人實(shí)際位置的記憶。

2.5 可編程控制器

可編程控制器采用臺(tái)達(dá) DVP60ES00R2PLC。控制器的輸入點(diǎn)位為36點(diǎn)，輸出點(diǎn)位為24點(diǎn)，采用連續(xù)循環(huán)掃描控制方式，掃描速度快，額定工作電壓可用50 Hz、220 V交流電壓。內(nèi)部元件種類和數(shù)量充足，存儲(chǔ)和處理信息能力強(qiáng)；編程指令功能豐富，用戶編程簡單方便；同時(shí)具備I/O點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)容量、聯(lián)網(wǎng)功能等擴(kuò)展功能[5]。

2.6 多串口卡

多串口卡釆用瑞旺智慧型多串口卡。該口卡通過微軟認(rèn)證支持，數(shù)據(jù)傳輸速度快，連接不需要軟件，信號輸出完整，穩(wěn)定性高，返修率低，支持各種主流操作系統(tǒng)，串口支持?jǐn)U展。

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響電解銅剝片機(jī)器人控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率和運(yùn)動(dòng)軌跡的平滑程度。工業(yè)機(jī)器人電解銅剝片控制系統(tǒng)的流程如圖2所示?？刂瞥绦虻闹骰芈烦绦?yàn)槿“搴痛a垛程序，支路程序?yàn)槿雍吞薨宄绦?。控制程序按照以下作業(yè)流程設(shè)計(jì)：

1)取板作業(yè)。包括機(jī)器人從工作原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到取板工作點(diǎn)，抓取陰極板后返回原點(diǎn)位置的過程。取板作業(yè)是后續(xù)作業(yè)的基礎(chǔ)，后續(xù)每一項(xiàng)工作都要先完成取板作業(yè)任務(wù)。

2)碼垛作業(yè)。 取板作業(yè)完成以后，通過PLC對抓取到的陰極板進(jìn)行碼垛作業(yè)判定，如需碼垛，機(jī)器人將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到放板位置，按照高度要求放下陰極板，完成碼垛作業(yè)。此項(xiàng)作業(yè)完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)位置。

3)取樣作業(yè)。 取板作業(yè)完成以后，通過PLC對陰極板取樣作業(yè)進(jìn)行判定，如需取樣，機(jī)器人將運(yùn)動(dòng)到取樣工位，進(jìn)行取樣作業(yè)。此項(xiàng)作業(yè)完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)位置。

4)剔板作業(yè)。 取板作業(yè)完成以后，通過PLC對陰極板剔板作業(yè)進(jìn)行判定，如需剔板，機(jī)器人將運(yùn)動(dòng)到剔板工位，進(jìn)行剔板作業(yè)。此項(xiàng)作業(yè)完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)位置。

圖2 電解銅剝片機(jī)器人控制系統(tǒng)的流程

4 應(yīng)用實(shí)例

某銅冶煉企業(yè)原剝片機(jī)組采用油缸推拋碼垛方式進(jìn)行陰極銅板碼垛作業(yè)，由于采用的是機(jī)械對中，碼垛前后左右不整齊，還會(huì)因?yàn)殂~板固定位置有銅離子而導(dǎo)致銅跺頂端不齊。采用本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人碼垛控制系統(tǒng)后，不僅解決了銅板碼垛不整齊的問題，而且通過程序設(shè)計(jì)，可以由工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)銅板取樣和剔除作業(yè)，極大地提升了原有剝片生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。另外，機(jī)器人占地面積小、控制靈活，可以根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場位置調(diào)整和規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，拓展作業(yè)內(nèi)容。

圖3為某銅冶煉企業(yè)100 kt/a陰極銅電解剝片機(jī)組使用的2臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，由這2臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行陰極銅的轉(zhuǎn)運(yùn)與堆垛。統(tǒng)計(jì)該剝片機(jī)組投入使用以來因機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定影響電解剝片機(jī)組和機(jī)組周邊設(shè)備運(yùn)行效率的情況，自2013年機(jī)器人試運(yùn)行以來，年均因機(jī)器人控制系統(tǒng)故障影響作業(yè)的時(shí)間為4 167 min，總計(jì)影響作業(yè)次數(shù)為236次，分類統(tǒng)計(jì)見表1。

圖3 電解銅剝片機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例

2018年下半年，采用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對以上工業(yè)機(jī)器人及其外圍電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造以后，整個(gè)生產(chǎn)過程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)及陰極銅的剝離與分片堆垛等，機(jī)組速度可達(dá)960片/h，減少現(xiàn)場工作人員4人，降低了人工成本，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工作效率。同時(shí)，生產(chǎn)工藝得到很大改善，廢品率明顯降低，陰極銅質(zhì)量大幅度提高。運(yùn)行至今，機(jī)器人及其控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，剝片機(jī)組作業(yè)效率大大提高，故障率大幅降低，年均故障次數(shù)減少到153次，年均故障時(shí)間縮短至2 054 min。改造前(2017年)與改造后(2019年)的剝片機(jī)組故障時(shí)間和作業(yè)效率對比分別如圖4和處理圖5所示。

表1 電解銅剝片機(jī)器人控制系統(tǒng)故障情況統(tǒng)計(jì)

圖4 改造前(2017年)與改造后(2019年)的剝片 機(jī)組故障時(shí)間對比

5 結(jié)束語

依據(jù)電解銅剝片生產(chǎn)線現(xiàn)場環(huán)境和生產(chǎn)工藝的特殊要求，設(shè)計(jì)了電解銅剝片工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有三級控制模式，很好地滿足了電解銅剝片生產(chǎn)中機(jī)器人作業(yè)的控制要求，解決了傳統(tǒng)設(shè)備在陰極銅板碼垛作業(yè)方面的不足，提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。若在本研究基礎(chǔ)上更換控制系統(tǒng)機(jī)器人末端夾具，或者增加其他工裝設(shè)備，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于不銹鋼、建材、鋁加工等其他領(lǐng)域的搬運(yùn)與碼垛作業(yè)，具有一定的推廣價(jià)值。

圖5 改造前(2017年)與改造后(2019年)的剝片 機(jī)組作業(yè)效率對比